供稿人：韩康 贺健康 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-07-31
心脏功能的连续成像对于长期评估心血管健康、检测急性心脏功能障碍以及危重患者的临床管理是十分需要的。然而，传统的非侵入检测设备由于体积庞大无法连续测量心脏功能，而现有的可穿戴心脏设备也只能捕捉皮肤上的信号。因此，加州大学圣地亚哥分校徐升教授团队开发了一种可穿戴超声设备，用于连续、实时和直接的心功能评估。该团队在设备设计和材料制造方面引入了创新，改善了设备与人体皮肤之间的机械耦合，使左心室能够在运动过程中从不同角度进行检查。同时还开发了一个深度学习模型，该模型可以从连续图像记录中自动提取左心室容积，产生关键心脏性能指标的波形，如搏出量、心输出量和射血分数。这项技术能够在各种环境中以显著提高的准确性对心脏性能进行动态可穿戴监测。
该装置由压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装层组成，如分解示意图所示（图1a）。每个换能器元件由各向异性1-3层压电复合材料和银环氧基背衬层组成，为了平衡穿透深度和空间分辨率，选择3MHz中心谐振频率用于深层组织成像，阵列间距为0.4 毫米（即0.78个超声波波长），提高了横向分辨率并减少了光栅波瓣。为了在这样一个紧凑的阵列中单独处理每个元素，该团队基于共晶镓铟液态金属和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）的复合材料制作了厚度仅为8 μm高密度多层可拉伸电极。该复合材料具有高导电性，且易于成型（图1b，c）。搭接剪切测量表明，换能器元件和SEBS基板之间界面结合强度约为250 kPa，而换能器元件和复合电极之间的界面结合强度约为236 kPa（图1d），它们都比典型的商业粘合剂更强。同样由复合材料制成的电磁屏蔽可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低超声射频信号中的噪声，提高图像质量。该器件也表现出优异的机电特性，如高机电耦合系数、低介电损耗、宽带宽和可忽略串扰。整个装置具有921kPa的低杨氏模量，与人体皮肤模量相当并表现出高达约110%的高拉伸性（图1e），且可以承受各种变形（图1f）。考虑到人体皮肤上的典型应变在20%以内，这些机械特性使可穿戴式成像仪能够在与皮肤保持大面积紧密接触，这对刚性超声设备来说是一个挑战。
图1 (a) 可穿戴成像仪分解图的示意图，标有关键部件（左）及其工作原理（右）。 (b) 液态金属复合电极的电阻作为单轴的拉伸应变函数。y轴是定义为R/R0的相对电阻，其中R0和R分别是在0%应变和给定应变下测得的电阻。 (c) 电极在0%和100%单轴拉伸应变之间的循环性能，显示了电极的稳定性。 (d) 换能器元件和SEBS或液态金属复合电极之间的搭接剪切强度。 (e)整个装置在110%双轴拉伸下的有限元分析。 (f) 光学图像显示了可穿戴成像仪在可显影表面上弯曲、包裹在不可显影表面、戳和扭曲时的机械顺应性。
可穿戴成像仪可用于运动过程中获取心脏功能数据。该设备可以连接到胸部，对受试者的运动限制最小，从而在运动前、运动中和运动后连续记录心脏活动，运动伪影可以忽略不计。其不仅可以捕捉测试过程中的实时响应，还可以提供客观的数据来标准化终点，并在整个测试过程中提高患者的安全性。同时使用液相硅胶作为耦合剂，可以获得稳定质量的图像，而不是随着时间的推移蒸发的水基超声凝胶。持续穿戴24小时后，没有观察到皮肤刺激或过敏。在装置连续工作1 h后，受试者心率保持稳定，装置温度恒定约为32 ℃。此外，在不同受试者上测试了同一种装置。重复性结果表明可穿戴成像仪性能稳定可靠。在运动期间，该团队进行了应力超声心动图来演示该装置的性能。整个过程沿胸骨旁长轴将装置贴附于受试者进行连续记录，主要包括三个阶段(图2a)。在休息阶段，受试者平卧位。在运动阶段，受试者每隔一段时间在一辆静止的自行车上进行运动，直到达到可能的最大心率。在恢复阶段，受试者再次处于仰卧位。该装置实现了对左心室活动的不间断跟踪，包括相应的M型超声心动图和同步心率波形(图2b、c)。检查了每个测试阶段的代表性切面，并提取了左心室内径收缩末期(LVIDs)和左心室内径舒张末期(LVIDd) (图2d)。受试者的LVIDs和LVIDd在休息阶段保持稳定(图2e)。在运动阶段，受试者的室间隔和左心室后壁向皮肤表面移动的距离更近，后者的移动幅度大于前者，导致LVIDs和LVIDd减小。在恢复期，LVIDs和LVIDd缓慢恢复正常。短轴缩短率作为衡量心肌收缩力的指标，其变化反映了负荷超声心动图不同阶段对血供需求的变化(图2e)。特别地，图2b中的第4部分包括运动和休息时间，深呼吸的模式也可以从左心室后壁运动中看到(图2f)。
图2 (a) 负荷超声心动图的三个阶段。在休息阶段，受试者仰卧4 min左右。运动阶段，受试者骑固定自行车约15 min，间歇休息。在恢复阶段，受试者再次平卧约10 min。穿戴式成像仪在整个测试过程中，甚至在阶段之间的转换过程中，都附着在受试者的胸部。(b) 连续M型超声心动图。确定了室间隔和左心室后壁的关键特征。标注了休息、运动(与休息的间隔)和恢复阶段。(c) 从M型超声心动图中提取心率的变化。(d) .b中第1节(休息)、第2节(运动)和第3节(恢复)的放大图像。(e) 记录3个不同阶段的左心室舒张末期内径(LVIDd)和左心室收缩末期内径(LVIDs)波形及相应的平均短轴缩短率。(f) 在运动期间放大第4节的图像,表明出现深呼吸。
这项工作结果表明，即使受试者正在进行高强度运动，可穿戴成像仪也提供了不间断的逐帧心脏图像采集。此外，具有深度学习的可穿戴成像器通过自动连续输出关键心脏指标的曲线，如心肌位移、中风量、射血分数和心输出量，提供了可操作的信息，这在重症监护、心血管疾病管理和运动科学中是非常理想的。这种能力在传统临床实践中是前所未有的，可以为门诊和运动人群带来潜在的好处。